【太空也可以用，超轻薄硒化钼太阳能效率突破 12%】
为让太阳能板能抵抗恶劣的太空环境，太空用的太阳能电池通常跟传统的硅晶太阳能电池不太一样，最近科学家透过硒化钼（MoSe2），研发出超薄太阳能电池，转换效率也从 5% 提高到 12%。
想当然现阶段我们还无法在太空中制造太阳能板，使必要透过火箭升空，但常见的硅或砷化镓太阳能电池较重，为了迎接挑战，科学家们正在探索各种轻型替代品，包括由硒化钼薄层制成的太阳能电池，为二维过渡金属硫属化合物（2D –TMDC），半导体特性之二维材料。
现在科学家们成功将 2D-TMDC 太阳能电池的效率从 5% 提高 12%，主要作者 Deep Jariwala 认为，人们开始意识到 2D-TMDC 是不错的太阳能电池材料，虽然并不是用于地面太阳能，而是需要灵活度更高的太空应用，而2D-TMDC 太阳能电池的重量比硅或砷化镓太阳能电池轻 100 倍，让该材料吸引力激增。
团队指出，虽然 2D-TMDC 太阳能电池效率不如硅晶，但单位重量发出的电力更多，因为 2D-TMDC 太阳能的吸光层只需 3~5 纳米，效果就能与市售太阳能电池媲美。这是因为太阳能电池吸收到日照后，光激发出激子（Exciton，电子电洞对），当带正电电洞和带负电的电子被整合到单独电极时，就会发电。
如今团队也设计出效率更高的太阳能电池设计，通过以这种方式对太阳能电池进行建模，该团队能够设计出一种效率比已经通过实验证明的高出一倍的设计。Jariwala 表示，这项设计的独特之处在于「超晶格结构」，以非半导体层隔开 2D-TMDC 的交替层，就算电池非常薄，也可以在电池结构内多次反射光。
团队也成功在如此薄的太阳能电池实现 12% 的效率，团队表示，有鉴于目前效率普遍低于 5%，希望在未来 4~5 年内，可以展示出 10% 或更高的电池。Jariwala 表示，下一步将实验实现大规模的晶圆级生产。现在是将单个材料当作纸张，一层一层转移来组装超晶格，我们需要一种方法来直接在材料上生长这些材料。
为让太阳能板能抵抗恶劣的太空环境，太空用的太阳能电池通常跟传统的硅晶太阳能电池不太一样，最近科学家透过硒化钼（MoSe2），研发出超薄太阳能电池，转换效率也从 5% 提高到 12%。
想当然现阶段我们还无法在太空中制造太阳能板，使必要透过火箭升空，但常见的硅或砷化镓太阳能电池较重，为了迎接挑战，科学家们正在探索各种轻型替代品，包括由硒化钼薄层制成的太阳能电池，为二维过渡金属硫属化合物（2D –TMDC），半导体特性之二维材料。
现在科学家们成功将 2D-TMDC 太阳能电池的效率从 5% 提高 12%，主要作者 Deep Jariwala 认为，人们开始意识到 2D-TMDC 是不错的太阳能电池材料，虽然并不是用于地面太阳能，而是需要灵活度更高的太空应用，而2D-TMDC 太阳能电池的重量比硅或砷化镓太阳能电池轻 100 倍，让该材料吸引力激增。
团队指出，虽然 2D-TMDC 太阳能电池效率不如硅晶，但单位重量发出的电力更多，因为 2D-TMDC 太阳能的吸光层只需 3~5 纳米，效果就能与市售太阳能电池媲美。这是因为太阳能电池吸收到日照后，光激发出激子（Exciton，电子电洞对），当带正电电洞和带负电的电子被整合到单独电极时，就会发电。
如今团队也设计出效率更高的太阳能电池设计，通过以这种方式对太阳能电池进行建模，该团队能够设计出一种效率比已经通过实验证明的高出一倍的设计。Jariwala 表示，这项设计的独特之处在于「超晶格结构」，以非半导体层隔开 2D-TMDC 的交替层，就算电池非常薄，也可以在电池结构内多次反射光。
团队也成功在如此薄的太阳能电池实现 12% 的效率，团队表示，有鉴于目前效率普遍低于 5%，希望在未来 4~5 年内，可以展示出 10% 或更高的电池。Jariwala 表示，下一步将实验实现大规模的晶圆级生产。现在是将单个材料当作纸张，一层一层转移来组装超晶格，我们需要一种方法来直接在材料上生长这些材料。
那时我才意识到，作为一名科普作者，我曾经多么幸运。
从2013年我开始在知乎回答问题，到2016年出版第一本纸质书，再到2021年，在知乎上我已经有了45万关注者。这一路上，我真的是顺风顺水。但顺风顺水并不是常态，可能是因为自己意外得到的一些光环，一路上被无声地开了很多绿灯。
与此同时，我也意识到这些光环和幸运并不是内容质量的保障（我早就该意识到这一点）。所以在准备书稿时，我不断用“excelsior”（拉丁文，意思是“even higher”，可以翻译为精益求精）这个词来鼓励自己，以求做到更好。虽然这本书还不完美，但我很喜欢它，希望你也喜欢它，希望它能帮助到一些对大脑感兴趣的人。
细胞静息电位
除了神经细胞受到刺激时会产生电信号，所有的细胞膜两侧都存在一个静息电压（也叫静息电位）。在神经细胞里，静息电位大约是70毫伏。相对于外侧，神经细胞内侧是带负电的。在细胞内侧，带负电的离子数多于带正电的离子数，而细胞外侧则有过量的带正电的离子。这种电荷的不平衡形成了可以在细胞内外测量到的静息电位。静息电位的产生是因为相反的电荷相互吸引。因此，在相对不渗透的细胞膜之间形成了一种吸引力。细胞内外的电荷越不平衡，吸引力越大；也就是说，电压或者电位越大。理解静息电位的产生过程可以帮助我们理解其他电信号是如何产生的。
构成细胞静息电位的因素有两个。第一，在细胞膜离子泵的作用下，细胞膜两侧的离子呈现不均匀分布。涉及的四种主要的离子是：钠离子（Na+）、钾离子（K+）、氯离子（Cl-），以及带有一个负电荷且类似离子的有机小分子（A-）（图2.2）。K+和A-主要在细胞内侧，而Na+和Cl-主要在细胞外侧。第二，细胞膜对这些离子的通透性是不同的。它对K+的通透性最大，而对A-没有任何通透性，此外对Na+的通透性低，对Cl-的通透性中等，如图2.2中线的斜度所示：K+几乎平缓，Na+非常陡。这意味着在静息状态下，神经元的细胞膜有通道允许K+非常容易地进出，但是没有允许A-进出的通道。此外，在静息状态下允许Na+进出细胞膜的通道其实是关闭的。
[插图]
图2.2 关于神经细胞内外侧主要离子以及细胞膜对这些离子的相对通透性大小的简略示意图。K+和有机负离子（A-）是神经细胞内侧的主要离子；Na+和Cl-是神经细胞外侧的主要离子。在静息状态下，细胞膜对K+的通透性大于Cl-和Na+，并且对A-几乎无通透性。这导致了细胞膜内外侧约-70毫伏的静息电位。
细胞内外的离子浓度差，以及细胞膜对离子的不同通透性，导致了静息电位的形成，这可以通过一个只涉及K+和A-的简单模型来描述（图2.3）。就像在一个真实的细胞中那样，我们使模型细胞内侧的K+和A-浓度高，而外侧浓度低（浓度高低通过K+与A-的标识大小来表示）。此外，我们使细胞膜对K+有通透性，而对A-没有通透性。换句话说，细胞膜上的通道允许K+通过，而不允许A-通过。此时会发生什么呢？K+与A-都想保持平衡；也就是说，从浓度高的地方（细胞内侧）向浓度低的地方（细胞外侧）转移。K+可以通过细胞膜，而A-不能。一部分K+离开细胞，并且每个K+从细胞出去后会导致细胞内侧多了一个负电荷、细胞外侧多了一个正电荷。因此，细胞膜内外的电位差便形成了。与细胞外侧（有过量的正电荷）相比，细胞内侧电荷更显负性（有过量的负电荷）。
[插图]
图2.3 关于静息电位形成过程的简要细胞模型。细胞内侧的K+与A-的浓度高于细胞外侧。因此，两种离子都存在由内而外的渗透压。允许K+通过的通道是存在的，但并不存在可以让A-通过的通道。在渗透压的作用下，一部分K+离开细胞，导致细胞内侧带负电荷，而细胞外侧带正电荷。这一电荷的差异就是静息电位。
从2013年我开始在知乎回答问题，到2016年出版第一本纸质书，再到2021年，在知乎上我已经有了45万关注者。这一路上，我真的是顺风顺水。但顺风顺水并不是常态，可能是因为自己意外得到的一些光环，一路上被无声地开了很多绿灯。
与此同时，我也意识到这些光环和幸运并不是内容质量的保障（我早就该意识到这一点）。所以在准备书稿时，我不断用“excelsior”（拉丁文，意思是“even higher”，可以翻译为精益求精）这个词来鼓励自己，以求做到更好。虽然这本书还不完美，但我很喜欢它，希望你也喜欢它，希望它能帮助到一些对大脑感兴趣的人。
细胞静息电位
除了神经细胞受到刺激时会产生电信号，所有的细胞膜两侧都存在一个静息电压（也叫静息电位）。在神经细胞里，静息电位大约是70毫伏。相对于外侧，神经细胞内侧是带负电的。在细胞内侧，带负电的离子数多于带正电的离子数，而细胞外侧则有过量的带正电的离子。这种电荷的不平衡形成了可以在细胞内外测量到的静息电位。静息电位的产生是因为相反的电荷相互吸引。因此，在相对不渗透的细胞膜之间形成了一种吸引力。细胞内外的电荷越不平衡，吸引力越大；也就是说，电压或者电位越大。理解静息电位的产生过程可以帮助我们理解其他电信号是如何产生的。
构成细胞静息电位的因素有两个。第一，在细胞膜离子泵的作用下，细胞膜两侧的离子呈现不均匀分布。涉及的四种主要的离子是：钠离子（Na+）、钾离子（K+）、氯离子（Cl-），以及带有一个负电荷且类似离子的有机小分子（A-）（图2.2）。K+和A-主要在细胞内侧，而Na+和Cl-主要在细胞外侧。第二，细胞膜对这些离子的通透性是不同的。它对K+的通透性最大，而对A-没有任何通透性，此外对Na+的通透性低，对Cl-的通透性中等，如图2.2中线的斜度所示：K+几乎平缓，Na+非常陡。这意味着在静息状态下，神经元的细胞膜有通道允许K+非常容易地进出，但是没有允许A-进出的通道。此外，在静息状态下允许Na+进出细胞膜的通道其实是关闭的。
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图2.2 关于神经细胞内外侧主要离子以及细胞膜对这些离子的相对通透性大小的简略示意图。K+和有机负离子（A-）是神经细胞内侧的主要离子；Na+和Cl-是神经细胞外侧的主要离子。在静息状态下，细胞膜对K+的通透性大于Cl-和Na+，并且对A-几乎无通透性。这导致了细胞膜内外侧约-70毫伏的静息电位。
细胞内外的离子浓度差，以及细胞膜对离子的不同通透性，导致了静息电位的形成，这可以通过一个只涉及K+和A-的简单模型来描述（图2.3）。就像在一个真实的细胞中那样，我们使模型细胞内侧的K+和A-浓度高，而外侧浓度低（浓度高低通过K+与A-的标识大小来表示）。此外，我们使细胞膜对K+有通透性，而对A-没有通透性。换句话说，细胞膜上的通道允许K+通过，而不允许A-通过。此时会发生什么呢？K+与A-都想保持平衡；也就是说，从浓度高的地方（细胞内侧）向浓度低的地方（细胞外侧）转移。K+可以通过细胞膜，而A-不能。一部分K+离开细胞，并且每个K+从细胞出去后会导致细胞内侧多了一个负电荷、细胞外侧多了一个正电荷。因此，细胞膜内外的电位差便形成了。与细胞外侧（有过量的正电荷）相比，细胞内侧电荷更显负性（有过量的负电荷）。
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图2.3 关于静息电位形成过程的简要细胞模型。细胞内侧的K+与A-的浓度高于细胞外侧。因此，两种离子都存在由内而外的渗透压。允许K+通过的通道是存在的，但并不存在可以让A-通过的通道。在渗透压的作用下，一部分K+离开细胞，导致细胞内侧带负电荷，而细胞外侧带正电荷。这一电荷的差异就是静息电位。
与此同时，我也意识到这些光环和幸运并不是内容质量的保障（我早就该意识到这一点）。所以在准备书稿时，我不断用“excelsior”（拉丁文，意思是“even higher”，可以翻译为精益求精）这个词来鼓励自己，以求做到更好。虽然这本书还不完美，但我很喜欢它，希望你也喜欢它，希望它能帮助到一些对大脑感兴趣的人。
写这个后记的时候，已经是2021年3月底了。窗外的木兰开了，它们站在漂亮的树枝上，朝着蓝天开放，那样子就像鸟一般，特别美。
电与大脑
电荷是所有物质的一个固有性质。它有两种极性：正极和负极。相同极性的电荷互相排斥，不同极性的电荷互相吸引。组成原子的两种基本粒子是电子和质子，它们都是带有电荷的。电子带负电荷，而质子带正电荷。家庭用电就是通过金属电线里面的电子流动形成的。电流是一段时间里在导电媒介（如金属电线）中流动的电子数量的度量。
一般来说，原子中的电子数和质子数是相等的，因此它是电中性的。但是原子可以得到或者失去电子，变成带电的，这可以是正电或者负电（图2.1a）。带电的原子被称为离子，它们可以在进出脑细胞的同时产生电信号。大多数离子有一个额外的正电荷或者负电荷，而一些对神经功能有重要作用的离子会有额外的两个正电荷。细胞外面的细胞膜不会轻易允许离子通过，但是细胞膜上面的蛋白可以形成允许和控制离子通过细胞膜的通道（图2.1b）。这些通道通常可以区分带不同电荷的离子（例如，带一个正电荷的钠离子和带一个负电荷的氯离子），甚至可以区分带相同电荷的不同离子（例如，钠离子和钾离子）。如今，我们已经大概知道蛋白通道是如何区分带相同电荷的不同离子的，以及这些通道是如何打开和关闭的。一些通道会一直打开，而大多数通道只有在应对刺激时才会允许离子通过细胞膜，如把化学物质释放到突触上时。
为了使离子在通道打开的时候顺利通过，细胞需要维持细胞膜内外的离子浓度差异。实现这一点需要离子泵——一种能主动将离子从细胞膜的一侧运输到另一侧的特殊膜蛋白。离子泵需要消耗能量并且不停地运作，每次能够运输少数离子通过细胞膜。当通道打开时，离子可以通过它来平衡细胞膜两侧的离子浓度。而当离子通过细胞膜时，细胞膜两侧的电荷就发生了改变。膜电压（或者电位）是对细胞膜两侧电荷差异的度量。当细胞产生了一个信号时，细胞膜两侧通常会产生10～100毫伏（0.01～0.1伏）的电压。这些电压相对于美国家用电器的110伏电压来说是极小的。
[插图]
图2.1（a）电中性的原子通过失去一个电子变成带正电的离子（上），通过得到一个电子变成带负电的离子（下）。带正电的离子的原子核内带正电的质子数多于原子核周围带负电的电子数。带负电的离子则是电子数多于质子数。（b）细胞膜是不能渗透离子的。然而，跨越细胞膜的蛋白通道能允许离子从细胞膜的一侧去往另一侧。有些通道只允许带负电的离子通过细胞膜（左）；其他通道只允许带正电的离子通过（右）。
写这个后记的时候，已经是2021年3月底了。窗外的木兰开了，它们站在漂亮的树枝上，朝着蓝天开放，那样子就像鸟一般，特别美。
电与大脑
电荷是所有物质的一个固有性质。它有两种极性：正极和负极。相同极性的电荷互相排斥，不同极性的电荷互相吸引。组成原子的两种基本粒子是电子和质子，它们都是带有电荷的。电子带负电荷，而质子带正电荷。家庭用电就是通过金属电线里面的电子流动形成的。电流是一段时间里在导电媒介（如金属电线）中流动的电子数量的度量。
一般来说，原子中的电子数和质子数是相等的，因此它是电中性的。但是原子可以得到或者失去电子，变成带电的，这可以是正电或者负电（图2.1a）。带电的原子被称为离子，它们可以在进出脑细胞的同时产生电信号。大多数离子有一个额外的正电荷或者负电荷，而一些对神经功能有重要作用的离子会有额外的两个正电荷。细胞外面的细胞膜不会轻易允许离子通过，但是细胞膜上面的蛋白可以形成允许和控制离子通过细胞膜的通道（图2.1b）。这些通道通常可以区分带不同电荷的离子（例如，带一个正电荷的钠离子和带一个负电荷的氯离子），甚至可以区分带相同电荷的不同离子（例如，钠离子和钾离子）。如今，我们已经大概知道蛋白通道是如何区分带相同电荷的不同离子的，以及这些通道是如何打开和关闭的。一些通道会一直打开，而大多数通道只有在应对刺激时才会允许离子通过细胞膜，如把化学物质释放到突触上时。
为了使离子在通道打开的时候顺利通过，细胞需要维持细胞膜内外的离子浓度差异。实现这一点需要离子泵——一种能主动将离子从细胞膜的一侧运输到另一侧的特殊膜蛋白。离子泵需要消耗能量并且不停地运作，每次能够运输少数离子通过细胞膜。当通道打开时，离子可以通过它来平衡细胞膜两侧的离子浓度。而当离子通过细胞膜时，细胞膜两侧的电荷就发生了改变。膜电压（或者电位）是对细胞膜两侧电荷差异的度量。当细胞产生了一个信号时，细胞膜两侧通常会产生10～100毫伏（0.01～0.1伏）的电压。这些电压相对于美国家用电器的110伏电压来说是极小的。
[插图]
图2.1（a）电中性的原子通过失去一个电子变成带正电的离子（上），通过得到一个电子变成带负电的离子（下）。带正电的离子的原子核内带正电的质子数多于原子核周围带负电的电子数。带负电的离子则是电子数多于质子数。（b）细胞膜是不能渗透离子的。然而，跨越细胞膜的蛋白通道能允许离子从细胞膜的一侧去往另一侧。有些通道只允许带负电的离子通过细胞膜（左）；其他通道只允许带正电的离子通过（右）。
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